JP6748935B2 - 電流センス付き半導体スイッチの保護回路 - Google Patents
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Description
この従来技術では、半導体スイッチ、例えば、IGBTの両端電圧(コレクタ電圧)を検出し、IGBTをオンさせるゲート信号が入力されているにも関わらずその両端電圧が低下しない場合に、負荷短絡等による過電流がIGBTに流れているとみなし、ゲート信号を操作して過電流を遮断することにより、IGBTを過電流から保護している。また、特許文献1には、過電流検出時にIGBTをオフさせると共に、過電流発生を示す異常情報を上位の制御回路に伝送することも記載されている。
このため、半導体スイッチの設計に当たっては、過電流が発生してこれを遮断するまでの期間、過電流が流れ続けるのを許容できることが求められる。つまり、半導体スイッチのエネルギー耐量を相当大きく確保する必要があり、結果的に、半導体スイッチが大型化せざるを得ないという問題がある。
この方法によれば、半導体スイッチに流れる電流の大きさを、抵抗に生じる電圧によって等価的に検出することができる。従って、過電流を検出するまでの時間を短縮することができ、特許文献1記載の技術が有する課題の解決が可能になる。
つまり、制御回路は、過電流異常にせよオープン故障にせよ、半導体スイッチの異常を認識可能であり、その半導体スイッチを用いたシステムの運転を停止して保護動作を行うことができる。
また、特許文献2では、過電流保護に要する時間を特許文献1に比べて短縮できるため、半導体スイッチを小型化できる反面、オープン故障を検出することができないという問題がある。
前記センス端子に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段による電流検出値を第1のしきい値と比較する第1の比較手段と、
前記入力端子と前記出力端子との間の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による電圧検出値を第2のしきい値と比較する第2の比較手段と、
前記電流センス付き半導体スイッチに対するオン/オフ指令がオン状態であって、前記電流検出値が前記第1のしきい値を超え、かつ、前記電圧検出値が前記第2のしきい値未満である状態が第1のマスク期間だけ継続した時に第1の異常事象を検出すると共に、前記電流検出値が前記第1のしきい値未満であり、かつ、前記電圧検出値が前記第2のしきい値を超えた状態が第2のマスク期間だけ継続した時に第2の異常事象を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段により前記第1の異常事象または前記第2の異常事象を検出した時に前記電流センス付き半導体スイッチをオフさせる駆動手段と、
を備えたことを特徴とする。
また、必要に応じて、過電流異常とオープン故障とを異なる種類の異常情報として個別に出力させれば、異常原因の判別が可能となり、異常原因に応じた適切な善後策を講じることもできる。
更に、電流センス付き半導体スイッチ及びその異常検出機能並びに保護機能を単一のパッケージに収納することにより、一層の小型化や取扱い性の向上が可能になり、電力変換装置等への実装も容易になる。
図1は、本発明の第1実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、電力用の半導体スイッチとして電流センス付きIGBTを想定した場合のものである。なお、IGBTのコレクタ、エミッタ、ゲートを、それぞれ入力端子、出力端子、制御端子というものとする。
ここで、ゲート駆動回路2は請求項における駆動手段を構成し、論理回路8は同じく異常検出手段を構成している。
また、IGBT10の両端(コレクタ−エミッタ)は両端電圧検出回路3に接続されており、両端電圧検出回路3の出力信号は、第2のしきい値TH2と共に第2の比較器4に入力されている。比較器4の出力信号Dは、前述したように論理回路5の一方の入力信号となっている。
更に、論理回路8の出力信号Jは出力回路9に入力されている。
ゲート駆動回路2は、異常検出信号Jの入力時に,IGBT10をオフさせるようにゲート信号Bを操作し、出力回路9は、外部の制御回路に対してIGBT10の異常情報(過電流異常やオープン故障を示す情報)を伝送する。
また、電流検出回路6は、例えば特許文献2に記載されているように、IGBT10のセンス端子とエミッタとの間に接続された抵抗の両端電圧からセンス電流Eを検出するように構成することができる。
なお、図2における符号A〜Jは、図1に示した同一の符号(指令、信号、電圧、電流)にそれぞれ対応している。
入力回路1から、IGBT10をオフさせる指令(論理「L」でオフ指令、「H」でオン指令)Aが出力される。これにより、ゲート駆動回路2から出力されるゲート信号Bも「L」となり、IGBT10がオフ状態となることによってIGBT10の両端には電圧Cが発生している。
このとき、両端電圧検出回路3により検出される電圧Cが第2のしきい値TH2を超えるようにしきい値TH2を設定しておけば、比較器4の出力信号Dは「H」となる。
また、指令Aは「L」、信号Dは「H」であるため、信号Gは「L」となる。論理回路8の入力信号F,Gの論理は何れも「L」であるため、論理回路8の出力信号Jも「L」となる。
入力回路1から、IGBT10をオンさせる論理「H」の指令Aが出力され、ゲート駆動回路2から出力されるゲート信号Bも「H」となる。
IGBT10がオンすることにより、その両端電圧Cはほぼ0[V]となる。よって、比較器4の出力信号Dは「L」となる。
一方、論理回路5の出力信号Gも「L」であるため、論理回路8の出力信号Jは「L」となる。
入力回路1からは、論理「H」の指令Aが継続して出力されており、ゲート駆動信号Bも「H」のままである。
このとき、負荷短絡等が発生してIGBT10に過電流Icが流れたとすると、IGBT10の両端電圧Cはほぼ0[V]から増加する。しかし、この両端電圧Cは第2のしきい値TH2未満であるため、比較器4の出力信号Dは「L」のままである。
論理回路5の出力信号Gは「L」であるが、信号Fが「H」になったため、論理回路8の出力信号Jは「H」になるところであるが、前述したように、誤動作を避ける目的で、論理回路8にマスク期間を設けることにより、出力信号Jは「L」を保持する。
入力回路1からは、論理「H」の指令Aが継続して出力されている。
ここで、期間IIIにて説明したマスク期間が経過しても、期間IIIの終期では信号Fが「H」、信号Gが「L」であるため、期間IVで信号Jは「H」となる。同時に、この信号Jは出力回路9に送られ、IGBT10が異常事象に陥ったことを出力回路9から外部の制御回路に伝送する。
なお、信号Jが「H」になったことによってゲート駆動信号Bは「L」になり、IGBT10がオフする。これにより、電圧C及び信号D,Gは「H」になる。
論理回路8は、IGBT10をオフさせるための論理「H」の異常検出信号Jを一定期間保持し、これに伴ってゲート駆動信号Bは「L」を保持する。これにより、出力回路9から外部の制御回路に伝送される信号も、一定期間、同一の論理を保持する。
なお、図2の動作例は、期間IIIにて説明したように、IGBT10に過電流が流れた際の両端電圧Cの大きさを両端電圧検出回路3によって検出するには十分ではない場合(両端電圧Cが第2のしきい値TH2未満である場合)を示している。言い換えれば、両端電圧検出回路3によって検出できるだけの電流がIGBT10に流れていなくても、センス端子を有するIGBT10を用いることにより、過電流異常を検出することが可能である。
指令A及び信号B〜Jの論理は、図2における期間Iと同様である。この時、IGBT10はオープン故障しているので、電圧Cは所定の大きさを持ち、また、電流Eはほぼゼロになっている。
図2における期間IIと同様に、指令A及び信号Bが「H」となる。
信号BによりIGBT10をオンさせようとするものの、IGBT10がオープン故障しているので、その両端電圧Cは低下しない。このため、両端電圧Cが第2のしきい値TH2を超過する状態となり、比較器4の出力信号Dは「H」となる。
なお、センス端子の電流Eはほぼゼロのままであって第1のしきい値TH1より小さいから、比較器7の出力信号Fは「L」のままである。
入力回路1からの指令Aは、「H」のままである。期間II’にて説明したマスク期間を経過しても、信号Gは「H」であるため、信号Jは「H」となる。この信号Jは出力回路9に送られ、IGBT10が異常事象に陥ったことを出力回路9から外部の制御回路に伝送する。
なお、信号Jが「H」になったことによってゲート駆動信号Bは「L」になり、IGBT10がオフする。
以上のように、本実施形態によれば、図1の回路構成により、過電流異常だけでなくIGBT10のオープン故障も検出して外部の制御回路に異常情報として伝送することができる。
すなわち、図2においては、オン/オフ指令Aがオン状態であって、電流Eが第1のしきい値TH1を超え、かつ、電圧Cが第2のしきい値TH2未満である場合に、論理回路8が当該事象を第1の異常事象として検出すると共に、ゲート駆動回路2によりIGBT10をオフさせる。また、図3においては、オン/オフ指令Aがオン状態であって、電流Eが第1のしきい値TH1未満であり、かつ、電圧Cが第2のしきい値TH2を超えた場合に、論理回路8が当該事象を第2の異常情報として検出すると共に、ゲート駆動回路2によりIGBT10をオフさせるものである。
なお、異常原因を判別するためには、以下に述べる第2実施形態が有効である。
アンドゲート8aの出力信号は、タイマ8c,8dを介して信号J1となり、オアゲート8gの一方の入力端子に加えられている。また、比較器7の出力信号Fは、タイマ8e,8fを介して信号J2となり、オアゲート8gの他方の入力端子に加えられている。なお、オアゲート8gから出力される信号Jは、図1のゲート駆動回路2に入力されている。
また、上記の信号J1,J2は、それぞれ出力回路9a,9bに入力されており、これらの出力回路9a,9bから外部の制御回路に異常情報が伝送されるようになっている。
この機能は、主として、IGBT10が異常事象になったら、一定期間、ゲートをオフさせる必要があり、また、異常事象に陥ったことを示す情報を上位制御回路に一定期間、伝送するためのものである。この機能がない場合、例えば、外部回路の異常等によってIGBT10に過電流が流れた際に、過電流保護と解除とが繰り返されることになり、IGBT10の破損に至るおそれがある。
上記の信号J1は、IGBT10がオープン故障していることを示す信号であり、出力回路9aを介して、制御回路にIGBT10がオープン故障していることを示す異常情報を伝送する。
このため、オアゲート8gの出力信号Jを用いて、図1のゲート駆動回路2を介しIGBT10をオフさせると共に、信号J2を出力回路9bに送り、制御回路に対してIGBT10に過電流が流れていることを示す異常情報を伝送する。
例えば、論理が「H」,「L」を繰り返す信号のデューティ比率を異常事象に応じて変更し、上位制御回路側にて異常事象を判別するようにしても良い。
2:ゲート駆動回路
3:両端電圧検出回路
4,7:比較器
5,8,8’:論理回路
8a:アンドゲート
8b:否定回路
8c,8d,8e,8f:タイマ
8g:オアゲート
6:電流検出回路
9,9a,9b:出力回路
10:電流センス付きIGBT
Claims (5)
- 制御端子、入力端子、出力端子、及び、前記入力端子と前記出力端子との間に流れる電流を検出するセンス端子を備え、かつ単一の素子として形成された電流センス付き半導体スイッチを保護するための保護回路において、
前記センス端子に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段による電流検出値を第1のしきい値と比較する第1の比較手段と、
前記入力端子と前記出力端子との間の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による電圧検出値を第2のしきい値と比較する第2の比較手段と、
前記電流センス付き半導体スイッチに対するオン/オフ指令がオン状態であって、前記電流検出値が前記第1のしきい値を超え、かつ、前記電圧検出値が前記第2のしきい値未満である状態が第1のマスク期間だけ継続した時に第1の異常事象を検出すると共に、前記電流検出値が前記第1のしきい値未満であり、かつ、前記電圧検出値が前記第2のしきい値を超えた状態が第2のマスク期間だけ継続した時に第2の異常事象を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段により前記第1の異常事象または前記第2の異常事象を検出した時に前記電流センス付き半導体スイッチをオフさせる駆動手段と、
を備えたことを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。 - 請求項1に記載した電流センス付き半導体スイッチの保護回路において、
前記第1の異常事象が、前記入力端子と前記出力端子との間に過電流が流れている状態であり、前記第2の異常事象が、前記電流センス付き半導体スイッチのオープン故障であることを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。 - 請求項1または2に記載した電流センス付き半導体スイッチの保護回路において、
前記第1の異常事象または前記第2の異常事象を検出した時に、前記オン/オフ指令を生成する外部の制御回路に異常情報を伝送する出力手段を備えたことを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載した電流センス付き半導体スイッチの保護回路において、
前記第1の異常事象を前記制御回路に伝送する第1の出力手段と、前記第2の異常事象を前記制御回路に伝送する第2の出力手段と、を備えたことを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した電流センス付き半導体スイッチの保護回路において、
前記電流センス付き半導体スイッチ、前記電流検出手段、前記第1の比較手段、前記電圧検出手段、前記第2の比較手段、前記異常検出手段、及び前記出力手段を、単一のパッケージに収納したことを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。
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